Projekt 16779/01

Kompaktsystem zur Beheizung, Lüftung und Warmwasserbereitung von Niedrigstenergie-Häusern mit Solarunterstützung

Projektträger

SOLVIS GmbH & Co. KG
Grotrian-Steinweg-Str. 12
38112 Braunschweig
Telefon: 0531/28904-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen dieses Vorhabens sollten auf der Basis einer Optimierung durch Simulationsrechnungen des Gesamtsystems Gebäude- und Anlagentechnik Prototypen kompakter Heiz-, Lüftungs- und Warmwas-serbereitungs-Systeme für Niedrigstenergie-Wohngebäude mit einem Jahres-Heizwärmebedarf von etwa 30 kWh/(m²?a) entwickelt und erprobt werden. Anlagen nach dem zum Projektstart aktuellen Stand der Technik bestanden zumeist aus Einzelkomponenten verschiedener Hersteller, deren regelungstechnische sowie betriebliche Abstimmung nur in geringem Maß erfolgte. Die Systeme sollten als eine integrale Funktionseinheit die Forderungen an Raumheizwärme- und Warmwasserversorgung sowie die Wohnraumlüftung in energetisch und wirtschaftlich optimaler Weise erfüllen. Durch einen wirtschaftlichen und emissionsarmen Betrieb sollten sie den Standard zukunftsweisender Gebäudetechnik darstellen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenNach ergänzender Sichtung des Standes der Technik wurden zunächst die aus dem Lastfall in hochwärmegedämmten Gebäuden resultierenden Anforderungsprofile an die Wärmeversorgungssysteme zusammengestellt. Zur Untersuchung des Betriebsverhaltens von Lüftungsanlagen bzw. zur Validierung der Simulationsmodelle der Komponenten wurden in einer frühen Projektphase erste Labortests mit Luft/Luft- und Luft/Wasser-Wärmerückgewinnungseinheiten durchgeführt. Über die aufgenommenen Messdaten wurden die entsprechenden TRNSYS-Simulationsmodelle validiert. In Mehrparameteranalysen wurden hinsichtlich wirtschaftlicher, energetischer und ökologischer Kriterien optimierte Systemvarianten herausgearbeitet und die entsprechenden Kenndaten berechnet. Als geeignete Nachheizeinrichtung neben der bereits in einem vorherigen Projekt (DBU Az. 12684) untersuchten solarunterstützten Gas-Brennwert-Heizzentrale SolvisMax hat sich aus den Simulationsstudien die Sole/Wasser-Wärmepumpe herauskristallisiert. In einer nachfolgenden Phase ergänzender Laboruntersuchungen wurden verschiedene Wärmepumpen/Speicher-Einheiten - zuletzt mit im oberen Speicherbereich integrierter Kondensatoreinheit - getestet und konstruktiv und energetisch optimiert. Die als Prototypen umgesetzten Systeme wurden in drei Anlagen messtechnisch untersucht. Die Standorte der Feldanlagen wurden hierbei so ausge-wählt, dass sie einen Querschnitt von unterschiedlichen, in der Praxis möglichen Lastfällen von Einfamilienhäusern abdecken. Die Anlagen wurden dabei in Gebäuden unterschiedlichen Wärmedämmstandards mit verschiedenen Heizsystemen, z. B. Fußboden und/oder Wandheizung und unterschiedlichen Lüftungsvarianten (Fensterlüftung oder Zu- und Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung) kombiniert.


Ergebnisse und Diskussion

Die von der Fa. Solvis am Markt angebotene, vielfach im praktischen Betrieb bewährte und im Rahmen von Vergleichstests entsprechender Geräte positiv bewertete Wärmezentrale SolvisMax stellt hinsichtlich der Effizienz der Solareinbindung sowie des Funktionsprinzips der temperaturabhängigen Einspei-cherung von Wärme eine ideale Ausgangsbasis für eine Wärmeversorgungszentrale in hochwärmegedämmten Gebäuden dar. Auch ohne Einkopplung von Solarwärme trägt der Speicher hierbei über die Verfügbarkeit der erhöhten Wärmekapazität zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Anlage bei. Luft/Luft-Wärmerückgewinnungseinheiten lassen sich unabhängig von der Heizanlage betreiben und stellen die Voraussetzung zur Erreichung geringer Heizwärmebedarfs-Kennwerte für Gebäude dar. Über die Vorwärmung der Außenluft im Winter lassen sich kritische Betriebszustände mit Einfrieren des Wärmeü-bertragers vermeiden. Erdwärme ist günstig erschließbar und lässt sich über einen Erdreichwärmeübertrager oder einen registergekoppelten Solekreis in das System einbinden. Eine Vorheizung über ein el. Heizregister ist aus energetischen und ökologischen Gründen eine weniger geeignete Maßnahme. Die Einkopplung einer Luft/Wasser-Wärmepumpe in den zentralen Speicher führt mit den betrachteten Geräten und Schaltungsvarianten zu einer negativen Beeinflussung des Betriebes sowie der Effizienz der Gesamtanlage. Die am Markt angebotenen Geräte zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft mit dem Arbeitsmittel R 134a stellen keinen geeigneten Lösungsansatz zur Verbesserung der Effizienz von Wärmeversorgungsanlagen dar. Sole/Wasser-Wärmepumpen mit einer Wärmeleistung von 5 bis 8 kW stellen eine sinnvolle und praxistaugliche Alternative zu dem speichergekoppelten Gas-Brennwert-Heizkessel dar. Dies wurde innerhalb einer breit angelegten Simulationsstudie für eine extern angeordnete Wärmepumpe nachgewiesen. Im Rahmen der Entwicklung von Vorseriengeräten wurde eine hinsichtlich der Wärmeabgabe teil- und eine vollständig in den Speicherkörper integrierte Variante untersucht und im Feld getestet und messtechnisch begleitet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

1. Kühl, L.: Wärmeversorgungssysteme für hochwärmegedämmte Gebäude, Dissertation TU Braunschweig, 2004; VDI Fortschrittsberichte Reihe 6, Nr. 526, VDI Verlag, Düsseldorf, 2005, ISBN 3 18 352606-9;
2. Kühl, L.: Wärmeversorgungssysteme für hochwärmegedämmte Gebäude, Gesundheits-Ingenieur, Oldenbourg Verlag, München, Nr. 126 (2005) Heft 3, S. 130 - 143;
3. Kühl, L.: Solarunterstützte Wärmeversorgung für Niedrigstenergie-Wohngebäude, OTTI 15. Symposium Thermische Solarenergie, 27.-29.04.05, Bad Staffelstein, Tagungsband S. 318 - 322;
4. Kühl, L.; Schlosser, M.: Fisch, M. N., Solarunterstützte Wärmeversorgung für Niedrigenergie-Wohngebäude und -siedlungen, VDI-Tage der Gebäudetechnik, Leonberg, 31.01. - 01.02.2006;
5. Kühl, L.; Wendker, K.: Fisch, M.N., Solarunterstützte Wärmepumpen-Heizsysteme Niedrigenergie-Wohngebäude, OTTI 16. Symposium Thermische Solarenergie vom 17.-19. Mai 2006, Bad Staffelstein;
6. Jäger, H.; Wendker, K.: Solarenergie und Erdwärme - die wirtschaftliche Lösung für Niedrigenergiehäuser, Heizungsjournal, Heft 3, März 2007;
7. Kühl, L.; Wendker, K.; Fisch, M.N.: Praxistest von erdgekoppelten Solar-Wärmepumpen-Heizzentralen, OTTI Siebtes Fachforum Oberflächennahe Geothermie - Erdgekoppelte Wärmepumpen und unterirdische thermische Energiespeicher - 26./27 April 2007, Freising;
8. Kühl, L.; Wendker, K.; Fisch, M.N.: Praxistest von solarunterstützten Wärmepumpen-Heizsystemen, OTTI 17. Symposium Thermische Solarenergie vom 09.-11. Mai 2007, Bad Staffelstein;
9. Kühl, L.; Wendker, K.; Fisch, M.N.: Praxistest von erdgekoppelten Solar-Wärmepumpen-Heizzentralen, 5. Forum Wärmepumpe, 11.-12.10.2007, Berlin;
10. Kühl, L.; Wendker, K.; Fisch, M.N.: Solar-Wärmepumpen-Heizzentrale - Kompaktsystem zur Wärmeversorgung von Niedrigenergie-Wohngebäuden, Fachtagung Erdwärme und Sonnenenergie / Strom aus Geothermie, 26.10.2007, Zürich


Fazit

Die Entwicklung von Vorseriengeräten als Wärmeversorgungszentrale für hochwärmegedämmte Gebäude mit einem Jahres-Heizwärmebedarf von etwa 30 kWh/(m²?a) konnte erfolgreich abgeschlossen werden. Die Wärmezentrale mit Backup einer integrierten Sole/Wasser-Wärmepumpe wurde als eine innovative Konstruktion aus marktgängigen Komponenten realisiert und die Effizienz in Labortests und nach-folgenden messtechnisch begleiteten Feldtests nachgewiesen, so dass eine erfolgreiche Markteinführung 2008 zu erwarten ist.